Investigadores de la UAB y del ICN2 han desarrollado una metodología que permite por primera vez observar al microscopio, en tiempo real, qué ocurre cuando el vidrio se calienta y pasa a una fase líquida sobreenfriada, lo que se conoce como "transición vítrea". " La investigación, publicada en Nature Physics , es de gran importancia para la criopreservación de proteínas, células y tejidos vivos, para la fabricación de medicamentos y dispositivos electrónicos, y para la ingeniería de tejidos, donde esta transición de vidrio a líquido juega un papel clave.
El vidrio es un material sólido con una estructura tan desordenada que podría considerarse un líquido de una viscosidad extraordinariamente alta. Se encuentra en vidrieras transparentes y de colores, en pantallas de televisión y dispositivos móviles, en fibras ópticas, en materiales plásticos industriales, y también en el estado de proteínas, estructuras celulares y tejidos vivos cuando se congelan para criopreservación.
A pesar de ser tan comunes, es muy difícil desarrollar teorías y modelos que puedan explicar en detalle su comportamiento. Los mecanismos por los cuales un líquido se enfría y se transforma en vidrio y, a la inversa, cómo un vidrio se transforma en líquido cuando se calienta, algo conocido como "transición vítrea", aún no se comprenden del todo.
Los físicos aún no están seguros de si se trata de una transición de fase y el vidrio puede considerarse como un estado termodinámico distinto de los estados líquido y sólido; o si el vidrio es simplemente un líquido sobreenfriado (enfriado por debajo de la temperatura de congelación pero que conserva las propiedades del líquido) cuyos átomos o moléculas tienen muy poca movilidad. Una de las mayores dificultades para comprender este proceso radica en los desafíos que supone visualizarlo a través del microscopio con suficiente resolución, ya que las estructuras del líquido sobreenfriado y del vidrio son prácticamente indistinguibles.
Un equipo liderado por investigadores del Departamento de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), con la implicación de la UPC y el IMB-CNM-CSIC, ha presentado una nueva metodología que permite observar directamente bajo el microscopio lo que sucede en un vidrio cuando se calienta por encima de la temperatura de transición vítrea, conocido como proceso de "relajación" que lo transforma en líquido.
Los investigadores trabajaron con vidrio orgánico ultraestable, que se prepara mediante evaporación térmica. Son más densos y presentan una mayor estabilidad cinética y termodinámica que el vidrio convencional obtenido directamente de líquidos. A diferencia del vidrio convencional que, como se ha visto hasta ahora, se transforma globalmente al estado líquido, sin distinciones claras entre las diferentes regiones del material, este vidrio ultraestable pasa a un estado líquido sobreenfriado de manera similar a como lo hacen los sólidos cristalinos cuando pasan a estado líquido. el estado líquido, con la formación de áreas en fase líquida que crecen progresivamente.
Se trata de un proceso que ya se describió indirectamente mediante mediciones de nanocalorimetría y se observó únicamente en modelos computacionales. "Anteriormente ya se había inferido de estos modelos que las zonas de fase líquida que se producen tienen una separación extraordinaria entre sí cuando se trata de vidrio ultraestable, pero esto nunca se había observado directamente", afirma Cristian Rodríguez Tinoco, investigador de la UAB y el ICN2.
El nuevo método desarrollado para observar esta transición consiste en intercalar el vidrio ultraestable entre dos capas de vidrio con una temperatura de transición más alta. Cuando la capa de vidrio ultraestable se calienta por encima de su temperatura de transición, las inestabilidades que se producen en la superficie se transfieren a las capas exteriores del sándwich y se pueden observar directamente con un microscopio de fuerza atómica.
"Se trata de movimientos y compresiones muy pequeñas, del orden de unos pocos nanómetros cuando comienza la transformación, pero lo suficientemente grandes como para ser medidas con precisión con un microscopio de este tipo, que monitoriza in situ las deformaciones superficiales que aparecen por encima de la temperatura de transición", explica Ph.D. alumna Marta Ruiz Ruiz.
La obra permite seguir en tiempo real la desvitrificación del vidrio. Permite cuantificar la dinámica del proceso de relajación en cristales ultraestables hacia un líquido sobreenfriado midiendo directamente las distancias entre los dominios líquidos que aparecen, al tiempo que se observa la deformación de la superficie y su evolución en el tiempo. De esta forma, se pudo comprobar cómo estas distancias entre áreas líquidas son extraordinariamente grandes en este tipo de vidrio, y la correlación de estas distancias con las escalas de tiempo del material, tal y como predicen los modelos computacionales.
"La descripción microscópica que hemos logrado ha hecho posible por primera vez una comparación directa entre los modelos computacionales y la realidad física. Creemos que esta técnica también será muy útil para explorar la transición vítrea en escalas temporales y espaciales más pequeñas, lo que permitirá una comprender mejor la transición en vidrio menos estable producido a partir de líquidos enfriados", concluye Javier Rodríguez Viejo, investigador de la UAB y del ICN2.
Más información: Marta Ruiz-Ruiz et al, Microscopía en tiempo real de la relajación de un vaso, Física de la Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02125-0
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Autónoma de Barcelona
